Pour alimenter vos appareils,

 PILES OU BATTERIES…. ?

  En ces périodes où les appareils à piles sont partout, on peut se laisser tenter par l’usage de batteries : éliminer le consommable au profit d’un investissement est un choix à priori judicieux.

Il existe déjà bon nombre d’appareils qui fonctionnent avec des batteries : les téléphones portables, les ordinateurs portables, les caméscopes, certains appareils photo numériques….  et c’est réellement beaucoup plus économique que les piles.

 Tout un chacun est amené un jour ou l’autre à utiliser des batteries : le téléphone portable est un exemple classique, et la plupart des bénéficiaires de cette superbe technologie doivent penser à charger leur batteries chaque nuit… sous peine de tomber en panne sèche. Pour ce produit comme pour les nombreux systèmes vendus avec un pack et un chargeur, le constructeur fournit un ensemble -en principe- très bien conçu pour profiter au mieux des batteries : reconnaissance du pack, charge bien calculée, sécurité contre les surcharges….

L’utilisateur ne se pose pas de questions particulières dans ce cas là, sauf lorsque le pack commence à montrer des signes de faiblesses. Il s’aperçoit alors que le pack de rechange ne donne pas toujours satisfaction, surtout s’il se laisse tenter par un pack « compatible » qui doit offrir une plus grande autonomie pour plus ou moins cher : le couple batterie-chargeur risque de ne pas s’entendre, et les soucis arrivent : risque de charge incomplète ou de surcharge majeure qui détruit rapidement les éléments ! Vu le prix d’un pack… c’est vraiment dommage.

 Le domaine où l’on est tenté de placer des batteries est bien évidemment pour remplacer les piles des nombreux appareils domestiques. Les piles concernées sont principalement du type AA ou R6 (cylindre de 50mm de long et 14mm de diamètre) : on les trouve partout : appareil photo numériques, lampe de poche, jouet, poste de radio, télécommande…. Les éléments plus petits (bouton, AAA), plus gros (D ou RC14, D ou RC20), et les piles 9V représentent seulement 20 à 30% du parc.

 Ceux qui ont sauté le pas sont souvent satisfaits,  mais parfois mécontents : cela dépend de l’usage que l’on en fait et du matériel utilisé.

 Il est important de connaître les caractéristiques principales des batteries avant de se décider :

Leur capacité est plus faible que les piles alcalines : cela veut dire que dans les mêmes conditions d’utilisation, elles dureront généralement deux à trois fois moins de temps que des piles. La capacité d’un élément s’exprime en ampères-heure ou en milliampères-heure (mAh). Un élément de 1 ampère-heure peut débiter 1 ampère (ou 1000 milliampères) pendant une heure. Une pile alcaline de bonne qualité offre une capacité qui peut atteindre 2400 mAh. Une batterie ordinaire (NiCd**) offre seulement 700mA lorsqu’elle est neuve et bien chargée (soit moins d’un tiers de la pile). Une batterie de haut niveau (NiMH**) atteint couramment 1100mAh et certaines 1400mAh. Choisissez de préférence ces modèles pour vos applications gourmandes en énergie. A l’usage, si les batteries ne sont pas maltraitées, les performances diminuent très peu. Attention toutefois à l’utilisation en extérieur : les performances baissent avec la température.

Elles s’auto-déchargent : lentement mais sûrement, la batterie (CdNi et NiMH) se décharge même quand on ne s’en sert pas… Un mois de repos après un charge complète, la capacité est en général réduite de 30 à 50% : l’autonomie peut être divisée par deux et bien sûr, au moment où l’on en a juste besoin…. Donc : attention si vous utilisez une batterie pour une application à usage exceptionnel, et arrangez vous pour recharger vos batteries peu de temps avant utilisation. En cas de doute, prenez un bon voltmètre à affichage numérique et mesurez la tension à vide de l’élément : au-dessus de 1,32V (NiMH), c’est bon.

Courbe de décharge spontanée d’un élément NiMh 

Après 31 jours, la tension de 1,28V correspond à une capacité de 52% du nominal.

Tension moyenne 1,25V : c’est moins que le « 1,5V » indiqué sur les notices des appareils. En fait, ce n’est pas si critique que ça en général. Si nous revenons quelques années en arrière, les piles salines imposaient leur tension nominale de 1,5V. Tous les constructeurs ont donc indiqué cette tension sur leurs appareils. Puis arrivent les piles alcalines : tension de départ 1,59V environ, tension moyenne en plateau à 1,25V, puis descente progressive jusqu’à 0,8V. Les appareils « étudiés » pour fonctionner à 1,5V peuvent être très mal dès 1,3V (distorsion, défaut de réception…) : si l’on jette les piles dès cette tension, elles auront alors été utilisées à seulement 1/5 de leur capacité et on aura jeté des piles pleines au 4/5... dommage !

Impédance interne plus faible que celle des piles : Enfin un avantage certain pour les batteries.  L’impédance d’une pile idéale est de 0W. Ce serait une pile parfaite : quelque soit le courant que l’on tire, la tension resterait stable… En pratique, la tension chute, et ce d’autant plus que l’impédance est grande. Par exemple, si l’on désire allumer une petite lampe consommant 500mA avec une pile dont l’impédance interne fait 1W, celle-ci provoquera une chute de tension de 0,5A * 1W = 0,5V. Et ce sera catastrophique, puisqu’il ne restera plus que 1,25-0,5 = 0,75V pour allumer la lampe ! Les bonnes piles ont une impédance de quelques dixièmes d’ohms et les bonnes batteries ont moins d’un dixième d’ohm. Par contre, avec l’usure et surtout en fin de décharge, les piles et les batteries voient leur impédance s’élever.

Courbes de tension (blanc) intensité (bleu – 100mV/div) température (rouge – 10°/div) et impédance (mauve – 0,2W/div) d’un élément AA (NiMH) mesuré sur la station de charge « Battery saver pro »(*) pendant une décharge à 100mA puis une charge à 250mA. L’échelle de temps fait 1h par grande division. L’impédance passe brutalement de 0,06ohm à plus de 0,5ohms en fin de décharge, lorsque la tension chute en dessous de 1,12V

Courbes de tension, intensité, température et impédance d’une pile alcaline pendant une décharge à 250mA

 mesurées sur le « Battery saver pro ». L’impédance passe de 0,37ohm à 0,8 ohms.

LES PIEGES A EVITER AVEC LES BATTERIES :

L’effet mémoire des batteries : il se dit qu’une batterie CdNi a une fâcheuse tendance à perdre sa capacité si on ne la décharge pas complètement, et qu’une batterie NiMH est moins sensible à ce problème.

Nous avons effectués de multiples essais avec notre station Battery Saver Pro et recherché à quoi ressemblait l’effet « mémoire »… et nous avons trouvé un état de dépolarisation de la batterie (CdNi comme NiMH) qui apparaît dans deux cas : arrêt prolongé avec chute de la tension des éléments en dessous de 1V, et court-circuit prolongé ou même inversion de polarité. Dans tous les cas, la courbe de charge prend une allure très caractéristique :

Mesure de la tension et du courant sur un élément complètement déchargé : la tension reste à 0 pendant les 20 premières minutes, puis monte à 1,42V, redescend et reprend à peu près la courbe normale après 30% de la capacité totale.

La plupart des chargeurs déclarent forfait dès le départ, ou se font piéger par la tension élevée + pente négative qui ressemble beaucoup à un état de fin de charge.

Cette courbe est souvent mal comprise par les chargeurs rapides : hormis le début dans lequel l’élément paraît court-circuité, la tension élevée suivie d’une pente négative entraîne souvent un arrêt de la charge. La mesure de la tension globale de la batterie semble bonne, mais elle s’écroule tout de suite….  quand vous reconnaissez le phénomène, il vous suffit de savoir charger à 200% de la capacité nominale pour retrouver une batterie à peu près normale (elle retrouve alors 90% de sa capacité). Vous devez alors disposer d’un chargeur lent délivrant un courant de 1/10 du nombre de mAh de l’élément  - soit 100mA pour un élément d’1 Ah – et le laisser charger pendant  20 heures au lieu des 14 heures prescrites. Avec le Battery Saver Pro, nous avons pu vérifier l’apparition du plateau de fin de charge et les caractéristiques de l’élément aux décharges successives, qui reprennent progressivement leurs valeurs nominales.

Enfin il faut connaître le problème majeur des batteries : on désire les réutiliser !. Ce qui veut dire que tout phénomène les détériorant en charge ou en décharge vous amène à perdre confiance dans vos batteries. Si elles ne marchent « plus bien » vous serez déçus et vous reprendrez, à regret, l’usage de piles.

Il existe deux façons de détériorer les piles : décharge et charge excessive.

Comme nous l’avons indiqué précédemment la décharge peut être excessive lorsque l’on dispose d’au moins deux éléments en série. Le même courant de décharge passe dans l’un et dans l’autre. Le premier qui s’épuise voit sa tension baisser très vite puis s’annuler et même s’inverser… Ce qui le fait travailler dans des conditions non recommandées ! Heureusement, lorsque les appareils n’utilisent que 2 ou 3 éléments en série, la tension globale passe très vite à une valeur trop faible pour qu’ils restent fonctionnels et on les arrête avant qu’il ne soit trop tard. Le problème devient ardu lorsque le nombre d’éléments augmente : avec 6 éléments, par exemple, la tension globale est au départ de 1,4V*6= 8,4V. En fin de décharge, tous les éléments sont à 1,05V et globalement on trouve 1,05*6=6,3V. Mais si 1 élément a été mal chargé et passe à 0V lorsque les autres sont encore à 1,3V on obtient globalement : 1,3*5 + 0V = 6,5V. Et aucun dispositif ne peut s’apercevoir du problème puisque cette tension est supérieure à la tension de fin de décharge ! L’élément le plus faible va alors se retrouver systématiquement en polarisation inverse et montrer les signes d’un effet « mémoire» comme ci-dessus. … et la recharge ne s’effectuera pas bien avec un chargeur rapide.  Par contre, avec une charge lente bien contrôlée, on peut récupérer honorablement la batterie.

Pour éviter cet incident, il faudrait des appareils capable de mesurer les tensions de chaque élément ou de quelques points intermédiaires. En pratique, il vaut mieux choisir des appareils fonctionnant avec 2 ou 3 éléments maximum pour éliminer cette difficulté. Dans tous les cas, il est conseillé d’apparier au mieux toutes les batteries mise en série : même capacité, même impédance… si vous êtes à même de les mesurer.

Le chargeur est l’élément le plus critique. Lorsqu’il est intégré à un appareil, ou livré d’origine avec les batteries, et que l’on respecte les consignes, en principe tout va bien. Lorsque l’on change de batterie ou de chargeur, on peut avoir de sérieux problèmes car tout n’a pas été prévu… et surcharger une batterie peut la mettre KO!

Attention aux différents types de batteries : CdNi et NiMH. Certains chargeurs sont capables de charger les deux types, mais d’autres ne sont faits que pour un seul type. La charge d’une batterie sur un chargeur inadapté risque fort de la détruire définitivement, du moins s’il la surcharge.

La charge rapide est intéressante et très pratique, mais demande une gestion très soignée des conditions d’arrêt de charge, et en particulier dans le cas de batteries un peu fatiguées…. Si vous n’êtes pas sûr du chargeur, choisissez un modèle qui effectue une charge lente en 14h environ : le courant de surcharge éventuel est alors supporté sans dommage par la batterie.

On observe également des chargeurs à charge rapide qui se font piéger par certaines batteries : comme ils arrêtent généralement leur charge sur une pente nulle, certains arrêtent leur charge bien avant la fin dans au moins deux cas :

-      batterie de forte capacité : l’évolution des capacités des batteries conduit à voir les tensions de charges monter de moins en moins vite… et la pente diminuer d’autant. Un chargeur bien étudié pour des petites capacités peut se trouver bloqué sur des éléments de forte capacité sur lesquelles il détecte une pente nulle avant 50% de la charge.

LES CONSEQUENCES :

 Une batterie mal chargée quelqu’en soit la raison : évitez de la jeter et apprenez à la charger.

 Une batterie qui a souffert (en général par surcharge avec élévation de température) va vous jouer des tours car elle peut ne rien vous montrer au niveau de sa tension. Elle présente une élévation brutale de l’impédance au cours de la décharge :

Courbes de décharge d’une batterie ayant souffert d’une charge inappropriée : l’impédance (mauve) passe en moins d’une minute d’une valeur normale (0,5ohm) à plusieurs ohms dès la tension de 1,2V.

Une élévation brutale d’impédance est tragique pour un appareil électronique : même s’il surveille consciencieusement la tension de la batterie, celle-ci s’arrête de lui fournir les courants de pointe dont il a besoin. Avec un processeur alimenté dans ces conditions et insuffisamment protégé, il a toutes les chances de se planter et de provoquer quelques dégâts….

CONCLUSION :

 En conclusion, nous avons trouvé que les batteries sont des éléments qui remplissent parfaitement leur rôle si on en prend grand soin. Évitez de les utiliser lorsque les éléments doivent rester longtemps sans servir du fait de l’auto-décharge. Les appareils qui demandent de nombreux éléments en série (>4) sont également à éviter car ils risquent de détériorer les éléments les premiers déchargés. Il faut leur préférer des appareils à 2 à 4 éléments en série et s’arranger pour apparier tous les éléments.

Les chargeurs sont en général extrêmement frustrants : la plupart se contentent de charger correctement les batteries… mais on ne sait pas quelle est leur capacité, leur impédance.. et l’on ne peut donc pas les sélectionner en fonction des applications ou les apparier. Un chargeur – comme la station de charge sur PC Battery Saver Pro (*)- qui affiche en clair toutes les courbes et donne tous les paramètres de charge et de décharge répond parfaitement à cette question. C’est sans doute la meilleure solution pour tous les amateurs ou professionnels exigeants.

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* : Battery Saver Pro : disponible  au 01 47 27 00 46.

**CdNi : Cadmium Nickel ,  NiMH : Nickel Metal Hydrure.